第5章-结构面的变形与强度性质

第五章结构面的变形与强度性质,5.1概述5.2结构面的变形性质5.3结构面的强度性质,5.2结构面的变形性质,一、法向变形性质1.法向变形特征两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验，得变形曲线-，设不含结构面的岩块变形为，含结构面的岩块变形为，则结构面的变形（法向闭合变形）为：,图5-1典型岩块和结构面法向变形曲线,开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长。当增到一定值时，-曲线变陡，并与-曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时则趋于结构面最大闭合量。,结构面的法向变形特点：,初始压缩阶段，含结构面的岩块变形主要由结构面闭合造成。试验表明，当时，可达，说明占了很大一部分。法向应力大约从/3处开始，含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。,结构面的-曲线大致为以为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关。结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100的接触。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义为-曲线原点处的切线斜率，即：,卸荷的应力-变形关系曲线,随着循环次数的增加，n-Vj曲线逐渐变陡，且整体向左移。每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。,2.法向变形本构方程,（1)Goodman方程,较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面。,2)Bardis方程,3)孙广忠方程,其中Kn为结构面的法向刚度。上式所描述的n-Vj曲线与试验曲线大致相似,这种方法较适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层面)的法向变形特征。这一过程所描述的曲线如图5-5所示。,图5-5结构面n-Vj曲线（Bandis方程）,法向刚度（normalstiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于-曲线上一点的切线斜率。,确定方法,试验法,3.法向刚度及其确定方法,室内变形试验,现场变形试验,本构方程和经验估算,（1）现场变形试验中心孔承压板法,（2）经验估算,由Bandis方程估算,几种结构面的抗剪参数表,岩体结构面直剪试验结果表,便携式直剪仪,粗糙结构面，呈脆性变形型平直结构面，呈塑性变形型结构面变形与风化程度有关结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。,1、剪切变形特征,二、结构面的剪切变形性质,卡尔哈韦（Kalhaway）方程,2.剪切变形本构方程,图5-13剪切刚度Ks的确定示意图,剪切刚度KS（shearstiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。,3.剪切刚度及其确定方法,确定方法,试验法室内试验现场试验经验估算法（Barton方程）,5.3结构面的强度性质,结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。由于结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。因此，在岩体力学中一般很少研究结构面的抗拉强度，重点是研究它的抗剪强度。试验研究表明：结构面抗剪强度的影响因素是非常复杂而多变的，从而致使结构面的抗剪强度特性也很复杂，抗剪强度指标较分散(表5-4)。影响结构面抗剪强度的因素主要包括结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化和受力历史(反复剪切次数)等等。,一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面1、规则锯齿形结构面2、不规则起伏结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面,一、平直无充填的结构面,平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：,二、粗糙起伏无充填的结构面,剪切特点：当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了经验值,1、规则锯齿形结构面可概化为图5-14的模型：（1）当较小时,Patton公式,（2）当较大时，由于啃断作用，则结构面的抗剪强度为：,式中，分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。,上式为法向应力1时，结构面的抗剪强度，其包络线如图所示。剪断凸起的条件为：,小结：双直线强度,2、不规则起伏结构面,自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。,巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angleofdilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：,Barton方程：Barton通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u之间。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u，而第一项的系数取整数。经这样处理后，上式变为：,Barton方程,Ladanyi&Archambault提出：,剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度,（5-35）,（5-38）,（5-36）,当很小时，凸起不被剪断，As=0(as=0)且=V/u=tgi,则有:当很大时，凸起全部被剪断，AsA(as1),无剪胀发生,=V/u=0,则有:从以上讨论可知,阿氏与莱氏公式是图中曲线3。,图5-17结构面抗剪强度曲线1.(5-37)式所表示的直线；2.(5-38)式表示的直线；3.(5-35)式所表示的曲线,三、非贯通断续的结构面,这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1，则整个结构面的抗剪强度为：,四、具有充填物的软弱结构面,具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。,由图5-19可知，粘粒含量较高的泥化夹层，其剪切变形(曲线)为典型的塑性变形型；特点是强度低且随位移变化小，屈服后无明显的峰值和应力降。随着夹层中粗碎屑成分的增多，夹层的剪切变形逐渐向脆性变形型过渡(曲线-)，峰值强度也逐渐增高。至曲线的夹层，碎屑含量最高，峰值强度也相应为最大，峰值后有明显的应力降。这些说明充填物的颗粒成分对结构面的剪切变形机理及抗剪强度都有明显的影响。表5-5所示也说明了结构面的抗剪强度随粘粒含量增加而降低，随粗碎屑含量增多而增大的规律。,充填物厚度对结构面抗剪强度的影响较大。图5-20为平直结构面内充填物厚度与其摩擦系数f和粘聚力C的关系曲线。由图显示，充填物较薄时，随着厚度的增加，摩擦系数迅速降低，而粘聚力开始时迅速升高，升到一定值后又逐渐降低。当充填物厚度达到一定值后，摩擦系数和粘聚力都趋于某一稳定值。这时，结构面的强度主要取决于充填夹层的强度，而不再随充填物厚度的增大而降低。除此之外，充填物的结构特征及含水率对结构面的强度也有明显的影响。一般来说，充填物结构疏松且具定向排列时，结构面的抗剪强度